王 博1，李长俊1，杜 强1,2，贾文龙1
（1．西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都610500；2．中国石油西南油气田分公司川西北气矿，四川江油621709）
摘要：为了探究天然气集输管道运行中结垢速率的影响因素，基于FLUENT软件建立了天然气集输管道结垢速率数值模拟模型。结合川西北天然气管网的实际运行参数，定量分析了管道压力、温度、垢粒子浓度和流速对结垢速率的影响。结果表明，管道压力、介质流速与结垢速率呈负相关关系，介质温度、粒子浓度与结垢速率呈正相关关系。在实际生产过程中，可以通过适当增大气田采出水的压力和流速，降低介质温度来达到抑制结垢发生的目的；并且还分析了Ca CO3颗粒在直管段处的生成与沉积规律。
关键词：结垢模型；结垢速率；影响因素；数值模拟；Ca CO3颗粒
中图分类号：X937 doi：10. 117 31/j．issn．1673 -193x．2016. 02.017
0 引言
川西北气矿的气田产出水具有碱度、矿化度高的特点，含有Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+、CO32+、S O i 42-和HCO3-等成垢离子。天然气管道结垢机理研究是进行结垢预测、防垢除垢措施选择的基础。结垢速率预测是对结垢问题的动力学描述。引起天然气集输管道结垢的因素主要是流体中的成垢离子和悬浮颗粒。
F．HUI总结了评估垢形成速率的方法，其中电化学方法包括计时电流法，计时电流与石英微天平结合法，电化学阻抗法；非电化学方法包括关键pH法，加热法，蒸发法，脱CO2法（含LCGE法，快速控制沉淀法，聚合物结垢实验法和持续实验法）。C．Gabrielli采用电化学阻抗谱技术，通过测量阻抗获得垢的电阻和电容，进而得到垢的致密度和厚度，结合石英微天平测定电流质量曲线，计算结垢量。Brahim在FLUENT软件上进行CFD模拟，计算垢厚度和垢密度，并且实时监测固体表面热通量分布，预测垢热阻以及垢层温度分布。
本文主要针对管道结垢，并结合实际生产情况，有针对性地开展现场水样、垢样成分以及影响因素的实验分析；根据实验数据，研究天然气管道的结垢机理以及结垢速率的影响因素；以实验和理论研究成果为基础，探究天然气集输管道防垢措施，最终达到减少天然气集
输管道结垢，提高集输系统运行效率，降低生产安全隐患的目的。
1 天然气集输管道结垢实验分析
本文调研了川西北气矿邛西区块的管网布置情况，并采集了邛西6井、白马8井的水样以及垢样，见图1、图2和表1。在现场调研过程中发现，邛西6井站场结垢现象比较普遍，整个地面设备基本上均有结垢。井口至分离器管线，分离器至蓄水罐的两条管线，4个蓄水
罐以及蓄水罐进泵管线结垢比较明显。其中结垢比较严重的管道有两处；分离器至蓄水罐的两条管线，蓄水罐进泵管线。白马8井是一口注水井，阀门和泵等地面设备较多。而且注水井每天处理水量较大，达到了450m3/d。其结垢区域有：3个蓄水罐，蓄水罐至泵的管线以及泵到井口的管线。结垢较为严重的是蓄水罐至泵的管线。严重的结垢给白马8井的设备安全和井站的正常运行带来了严重威胁。
采用液相离子色谱法分析了水样中的离子种类及浓度，发现水样具有高碱度、高矿化度的特点，特别含有较高浓度的HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Ba2+和Sr2+等成垢离子，容易在管道内结垢。
采用扫描电子显微镜法、高温失重法、X射线能谱分析( EDX)和X射线衍射分析法(XRD)对邛西6井和白马8井垢样的微观形貌、垢样的组成进行了分析，发现邛西6井的垢样中碳酸钙垢约占85%，并夹杂10%腐蚀垢物；白马8井的结垢物中碳酸钙的含量约为85%，夹杂约6%腐蚀垢物。
2 管道结垢机理
目前，对于气田水的结垢机理主要由三方面的理论认识：不相容理论、热力学条件变化论和吸附论。不相容理论认为，如果含有不同的离子种类或浓度的不相容液体发生混合时，体系就会变得不稳定，促进固体垢颗粒的形成。热力学条件变化论认为，井下的溶液常含有成垢离子且为过饱和状态，但因为井下的热力学条件稳定，所以并不会产生结垢物；一旦气水混合物到达了地面集输管道中时，流体的温度、压力、流速等参数会发生变化，破坏先前各离子稳定存在热力学条件，导致地面集输系统的结垢。因此成垢离子更容易沉积下来。结合表1中的离子成分分析可知，水样中含有大量的HCO3-和Ca2+。一旦这两种离子稳定存在的热力学平衡条件被打破，使水中离子的浓度超过了水的溶解度时，这两种离子就会结合形成Ca(HCO3)2。Ca( HCO3)2在热力学上是不稳定的化合物，极易分解形成CaCO3，微小的CaCO3颗粒在流动中会相互碰撞，聚结，形成较大的CaCO3颗粒，并附着在管壁上，形成管道结垢。管道内阴阳离子结合成垢的过程可表示为：
气田水的结垢机理中的吸附论认为，碳酸钙等结垢物是晶体结构，其形成过程可以用晶体理论解释；管道内壁粗糙不平，垢晶体会吸附在表面突起处，以此中心形成晶核从溶液中析出、长大，最终形成垢沉积。结晶的过程可以概括为以下三个阶段：溶液过饱和一晶核形
成一晶体生长。
3 天然气管道结垢模型
对于天然气管道结垢，在管道进口处，并没有固体垢颗粒存在，而是在管道运行过程中，随着流体的流动，逐渐生成了固体垢颗粒，然后采用DPM模型模拟固体垢颗粒在管道内的流动情况，可以更加形象的分析天然气管道结垢过程，DPM模型与化学反应模型关系图见图3。
3.1 化学反应流动数值模拟模型
通过对某天然气集输管道的结垢机理分析，根据公式(2)可以得知，结垢过程包含化学反应过程，需要启用FLUENT软件的化学反应模型。
针对此天然气集输管道结垢，主要需要研究于壁面反应的问题以及化学组分混合、输运、反应的问题，因此选用有限速率模型。计算反应速度的方法有Arrhenius速度表达式，Magnussen和Hj ertager的漩涡耗散模型以及EDC模型等。
由于天然气集输管道结垢为湍流流动，当湍流通过反应物和水缓慢地进入反应区，迅速地在反应区内发生反应，但是动力学因素也在控制着反应，因此最终选取了4种湍流一化学反应相互作用模型中的Finite -Rate/Eddy - Dissipation Model（有限速率／涡耗散模型）。
3.2 固体垢颗粒沉积轨迹的数值模拟模型
天然气集输管道结垢是由于在管道内的固体垢颗粒流动过程中，通过包括对流与扩散在内的传质过程达到管道的表面，并且通过吸附作用停留在管壁上，最终结晶形成沉淀。但是为了研究固体垢颗粒在管道内流动的情况，启用了FLUENT软件的多相流模型，对生成的固体垢颗粒在管道内的轨迹进行模拟分析，研究其沉淀规律。
FLUENT中的离散相模型(DPM)就是采用欧拉一拉格朗日法的计算思路，用欧拉法描述主相，而用拉格朗日法描述颗粒相。离散相模型通常用于煤粉燃烧、颗粒分离、喷雾剂形态、液体燃料的燃烧等问题的解决。对于天然气管道结垢来说，生成的固体垢颗粒的体积分数小于10%时，因此采用离散相模型(DPM)。
3.3边界条件
本文模拟需要确定的边界条件包括：进口边界条件、出口边界条件以及壁面条件，同时应分别定义液相和离散相的边界条件。
1)液相边界条件
选用速度入口作为边界条件，即在管道入口处定义气流的入口速度；同时，入口处还要对边界层和完全发展的湍流流动进行描述，选用的是输入湍流强度和水力直径；为了保证流场计算时的收敛，对管道出口的边界条件选用出流边界；壁面为管壁，因此选取默认的固体壁面无滑移条件。
2)离散相边界条件
本文在管道入口设置面射流源，颗粒类型新建为CaCO3颗粒，其密度为2 800 kg/m3，粒径、速度等其他参数需根据不同的模拟情况来进一步设置，由于要控制单位时间内进入流域的颗粒数一定，故将不同条件下管道内颗粒质量流量均设置为1×10-20 kg/s。本文在壁面选用捕捉边界条件。
4 数值模拟实例
4.1 模型参数
1)管道尺寸和管内介质
本文重点研究直管内的CaCO3颗粒运移沉降规律，选取的管道内径为200 mm，综合考虑之后选取长度为5 000 mm的直管段，选取邛西6井的数据进行模拟。
2)具体模拟方案
根据天然气集输管道数据具体分析，得出模拟的具体方案如表2所示。
4.2 建立模型及划分网格
根据2.1节的选取，直管段的管径为200 mm，长度为5 000 mm。以流向为x轴，重力方向为y轴负方向，进口中心位置为坐标原点。人口界面设置为inlet，出口界面设置为outlet。将入口面设置为源面，并采用扫描法对全流域划分六面体网格，通过设置源面网格尺寸来控制全流域的网格尺度，同时，根据壁面函数法对于壁面区域网格的要求划分边界层网格，对直管段流域的边界层网格设置第一层网格高度为8 mm、增长率为1.2及边界层层数为4层，从而控制壁面大部分区域的y+值处于30~60之间。
网格密度对数值计算精度有较大影响，在进行数值计算结果的讨论之前，需要对网格数量影响进行无关性分析，经过网格无关性检测，最终对全流域划分共产生了41520个节点，38240个控制体。
4.3 流场分析
通过FLUENT 16.0软件模拟，图4为气流进口速度为1m/s时，直管y=0截面上的压力图，从图4(a)压力分布云图和图4(b)压力分布曲线图可以看出，压力分布沿着流体流动方向均匀递减，没有出现大的压力梯度。
管道中部横截面上的速度分布云图如图5所示，从速度分布云图可以看出，当流体在管道内流动时，管道中心位置的气流速度最大；由于流体有一定的黏度以及边界层的影响，在边界层处流体的速度将有所减小，同时距离壁面越近，速度减小的趋势也越明显，说明气流的速度脉动在近壁面区域范围内比较剧烈。
流体的连续性方程表明，管壁附近流体流动速度的减小必然会促使边界层外的流体处于加速状态，而边界层外流体的加速反过来又抑制了边界层厚度的增加，同时产生了压强的顺压梯度。
温度分布云图如图6所示，从温度分布云图中可以看出，在y=0截面上沿着流体流动的方向，温度逐渐增加；在管道中间横截面上，可以看出管道中心温度要略低于周边的温度但是高于管壁的温度，这是由于管道内部湍流流动，温度会略微升高，但是管道内还会发生吸
收热量的化学反应。
管道内CaCO3分布如图7所示，入口处并不含有CaCO3，而是在管道运行一段距离后，生成一部分Ca-CO3，在距离管道井口1 m处CaCO3质量分数达到最大，但是随着管道中流体的冲刷作用，又会带走一部分的CaCO3，只有少部分的CaCO3会沉淀下来，并且最终生
成的CaCO3的质量分数为85. 88×10-5。
图8为管道内CaCO3粒子轨迹图，可以看出在管道进口处，CaCO3粒子较少，并且由于重力作用管道上半部分存在更为稀少的CaCO3粒子，随着流体的流动，在靠近管壁处，管道内CaCO3粒子较为集中，这是由于管壁的吸附作用，CaCO3粒子聚集，生成晶体，并不断成长，最终形成垢，沉淀下来。
5 影响因素的数值模拟
5.1 管道压力的影响
研究集输管道垢沉积的规律，将管道内的压力分别改为0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 M Pa，再次进行模拟，管道内CaCO3质量分数分布如图9所示。
由图9可以得出，随着压力的增加，生成CaCO3的质量分数逐渐减小，相对应的生成的CaCO3沉淀也会相应减少。
5.2 管道温度的影响
研究集输管道垢沉积的规律，将管道内流体的温度改为290、295、305和310 K，进行对比分析，管道内Ca-CO3质量分数分布如图10所示。
根据图10可以得出，随着温度的增加，生成CaCO3的质量分数逐渐增加，相对应的生成的CaCO3沉淀也会相应增加；并且当管内温度高于壁温时，其结垢速率较大。
5.3 粒子浓度的影响
研究集输管道垢沉积的规律，将管道内的粒子的浓度分别扩大5、10、15、20倍，管道内CaCO3质量分数分布如图1 1所示。
根据图11可以得出，粒子浓度与生成的CaCO3质量分数成正相关，并且随着粒子浓度的增加，每一倍粒子浓度生成CaCO3的质量分数逐渐增加，相对应的生成的CaCO3沉淀也会相应增加。
5.4 流体流速的影响
研究集输管道垢沉积的规律，将管道内的流速改为1.2、1.5、1.8和2 m/s，其管道内CaCO3质量分数分布如图12所示。
根据图12可以得出，随着速度的增加，生成CaCO3的质量分数逐渐减小，并且速度越大，流体的冲刷作用越明显，相对应的生成的CaCO3沉淀也会相应减少。
通过上述对比分析，可以发现：
1)随着压力的增加，生成CaCO3的质量分数逐渐减小，相对应的生成的CaCO3沉淀也会相应减少；这是由于根据公式(2)该化学反应，当体系内压力下降时，化学反应平衡向右移动，促进碳酸钙的生成。
2)随着温度的增加，生成CaCO3的质量分数逐渐增加，相对应生成的CaCO3沉淀也会相应增加，并且当管内温度高于壁温时，其结垢速率较大；这是因为在以碳酸钙为主要结垢产物的情况下，碳酸钙的溶解度随着温度的升高而减小。
3)成垢离子浓度对结垢有重要影响，通常情况下，天然气管道结垢的可能性和溶液中成垢离子浓度呈正相关，颗粒浓度与生成的CaCO3质量分数成正相关，并且随着颗粒浓度的增加，每一倍颗粒浓度生成CaCO3的质量分数逐渐增加，相对应的生成的CaCO3沉淀也会相应增加。
4)随着速度的增加，生成CaCO3的质量分数逐渐减小，并且速度越大，流体的冲刷作用越明显，相对应的生成的CaCO3沉淀也会相应减少。
6 结论
以结垢机理为基础，应用基于有限速率／涡耗散理论的化学反应流动模型，以及基于欧拉一拉格朗日法的颗粒离散相数学模型，建立了基于化学反应流动的天然气集输管道结垢速率数值模拟模型。
1)结合邛西6井的实际数据，通过FLUENT软件的化学反应流动模型模拟CaCO3颗粒在集输管道中的生成与结垢过程，并且定量分析了管道压力、温度、垢粒子浓度和流速对结垢速率的影响规律：发现管道压力、介质流速与结垢速率呈负相关关系，介质温度、粒子浓度与结垢速率呈正相关关系。该影响规律与其他学者采用其他方法模拟及实验验证得到的规律相一致，充分验证了该模型的适用性。因此在实际生产过程中，可以通过适当增大气田采出水的压力和流速，降低介质温度来达到抑制结垢发生的目的。
2)采用DPM模型模拟了CaCO3颗粒在直管段处的运移沉降，发现由于生成垢的化学反应过程需要一定的时间，在管道入口处CaCO3粒子较少；随着介质的流动，CaCO3颗粒逐渐生成，并在重力的作用下，逐渐沉积在管壁处，从而揭示了CaCO3颗粒的生成与沉积规律。
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